三峽水庫-葛洲壩水庫調(diào)度影響下宜昌站流量測驗時機(jī)分析研究

，，，

(長江水利委員會水文局 長江三峽水文水資源勘測局，湖北 宜昌 443000)

宜昌站位于三峽水利樞紐下游44 km，葛洲壩下游約6 km的彎道下首。水位流量關(guān)系受長河槽控制，即受河道地形條件和水文因素變化的綜合影響。中、高水受洪水漲落、斷面沖淤影響，其水位流量關(guān)系呈逆時針繩套曲線變化，受下游清江來水頂托以及三峽和葛洲壩水庫調(diào)度影響，關(guān)系曲線局部變形或扭曲。低水水位流量關(guān)系呈單一線[1]。

2009年以來，隨著三峽水庫進(jìn)入試驗性蓄水期，宜昌站中、高水時期水位流量關(guān)系帶寬縮窄，呈單一線發(fā)展趨勢；將宜昌站和枝城、高壩洲水文站的流量整編成果與葛洲壩出庫流量比對，結(jié)果表明存在系統(tǒng)性偏大，但仍滿足《流量整編規(guī)范》要求。受三峽、葛洲壩水利樞紐工程(以下簡稱“兩壩”)聯(lián)合調(diào)度影響，宜昌站水位流量關(guān)系曲線局部變形或扭曲更加頻繁，在測驗時機(jī)選擇上難度更高。如何選擇具有代表性的流量測點(diǎn)是宜昌站測驗工作面臨的難題，要求在不過多增加工作量的情況下，準(zhǔn)確掌握流量變化規(guī)律。為此，宜昌站在2015～2017年開展了水利工程影響下宜昌流量測驗時機(jī)選擇與單次流量測量誤差控制的專題研究。

1 兩壩調(diào)度對宜昌流量影響

2009年以來，三峽水庫出庫流量和宜昌站流量資料表明，三峽水庫有效調(diào)節(jié)了入庫洪水，保證了下游區(qū)水資源有效利用以及滿足廟咀水位不低于39.0 m的航運(yùn)要求[2]。2012年7～8月，長江上游地區(qū)發(fā)生大洪水(復(fù)式洪峰)，三峽水庫入庫、宜昌站洪峰最大日均流量分別為 67 900，46 500 m3/s，削峰達(dá) 21 400 m3/s；三峽水庫以 40 000～46 500 m3/s的日流量下泄達(dá)17 d，造成宜昌流量過程相對平坦化，見表1。三峽水庫枯期最小下泄流量不小于5 000 m3/s，2015年后最小下泄流量不小于6 000 m3/s；相比1986～2003年間宜昌站1，2，3，4，5月的多年月平均流量分別增加了42.54%，52.50%，40.00%，15.61%，12.67%。而且，中小洪水期(尤其是枯水期)兩壩調(diào)度還具有日調(diào)節(jié)特征，每日宜昌水位呈現(xiàn)從起漲到消退大約24 h的規(guī)律，不同流量Q下洪水歷時見圖1。

表1 2012年7～8月洪水歷時統(tǒng)計 d

圖1 2017年7月30日～8月7日宜昌水位過程線

水位流量關(guān)系表現(xiàn)為：受兩壩調(diào)度蓄放水而產(chǎn)生的附加比降影響，電站放水時，水位上漲，流速增大，流量也增大；蓄水時，則完全相反。圖2為宜昌站到枝城站水位落差。由圖可看出，漲水點(diǎn)偏右，落水點(diǎn)偏左，峰、谷點(diǎn)居中；若不間斷連時序測驗流量，則會形成繩套型水位流量關(guān)系。

圖2 宜昌-枝城水位落差

2017年8月28日在宜昌水文斷面開展了連續(xù)流量測驗。采用走航式ADCP橫渡法從06:26～18:02歷時12 h，共施測流量81次。不間斷連續(xù)測流試驗形成的水位流量關(guān)系與采用常規(guī)測驗方法繪制的水位流量關(guān)系線對比結(jié)果見圖3。

圖3 連續(xù)測流試驗與常規(guī)測驗水位流量關(guān)系對比

表2分別采用常規(guī)法與流量試驗法計算并比較了在上述時段內(nèi)測算的徑流量。如果將連續(xù)測流所計算的徑流量作為真值，較常規(guī)測驗方法計算的流量高出0.44億m3。雖然常規(guī)測驗方法在12 h內(nèi)布置了4個流量測點(diǎn)，但計算誤差仍較大，受工程調(diào)度影響，難以把握流量測驗時機(jī)。

表2 連續(xù)測流試驗與常規(guī)測驗徑流量分析 億m3

目前，基于安全和測驗成本等因素考慮，難以實(shí)現(xiàn)連續(xù)不間斷測流量方式。因此，在測驗時機(jī)方面，應(yīng)盡量選擇具有代表性的測次，在水位-流量關(guān)系圖上盡可能避免形成日調(diào)節(jié)造成的繩套曲線，而是能反映斷面水位流量整體變化的單一線。

2016年5，7，10，12月分別在宜昌站開展了4次連續(xù)28 h流量試驗，每間隔1 h測流一次，流量變幅范圍為 6 930～32 200 m3/s，基本涵蓋了宜昌站近年來的水情變化范圍。其中，12月10日01:56～11日05:54共施測29次，圖4為該試驗形成的水位流量關(guān)系圖。由圖可看出，28 h連續(xù)流量試驗結(jié)果形成了一個完整的繩套型水位流量關(guān)系，而采用常規(guī)測驗方法得出的水位流量關(guān)系是一條單一線。采用兩種方法計算出的徑流量相同，見表3。

圖4 28 h流量試驗與常規(guī)測驗水位流量關(guān)系

表3 28 h流量試驗與常規(guī)測驗徑流量分析億m3

2 水位漲落率與流量相對誤差關(guān)系

目前宜昌站常規(guī)測驗方式是水位小于43.50 m按單一線布置測次，測點(diǎn)受洪水漲落、斷面沖淤、兩壩聯(lián)合調(diào)度影響，因此水位-流量關(guān)系出現(xiàn)明顯變化時按連時序法布置測次。兩壩聯(lián)合調(diào)度主要是為了減輕長江中下游防洪壓力從而對上游來水進(jìn)行調(diào)度，不包括葛洲壩日調(diào)節(jié)形成的水位流量變化。除特殊水情外，全年大多數(shù)時間水位-流量關(guān)系穩(wěn)定在單一線上。

通過對2012～2017年實(shí)測水位過程、實(shí)測流量相應(yīng)水位過程、實(shí)測流量與整編流量(僅包括單一線，不包括連時序線)相對誤差過程分析，實(shí)測流量與整編流量相對誤差與水位過程線趨勢并不一致，而且在部分時間段內(nèi)，水位漲落變化不大而實(shí)測流量與整編流量相對誤差較大，見圖5。

圖5 2016年宜昌站水位、流量分析

由曼寧公式知：

(1)

式中，Q為流量，m3/s；A為過水?dāng)嗝婷娣e，m2；S為能坡比降；n為糙率；R為水力半徑，m。

宜昌站斷面2012～2017年均較穩(wěn)定，沒有明顯的沖淤，同水位下n、A、R皆為定值，即流量變化與能坡比降成正比。則有

(2)

式中，k為綜合流量系數(shù)，m3/s。

以受洪水漲落影響下的比降代替能坡比降，由正常比降Se和附加比降△S兩部分組成，即

(3)

從洪水漲落影響下的流量公式可知，洪水流量的大小與漲落率的關(guān)系密切，漲落率較大時，反應(yīng)在洪水繩套曲線上其偏離同水位的穩(wěn)定水位流量關(guān)系曲線的距離越大；而研究測驗時機(jī)的目的之一就是避免因受電站蓄放水日調(diào)節(jié)而形成的繩套曲線。

假設(shè)整編定線流量為近似真值(基本消除了流量測驗環(huán)節(jié)誤差，含有一定的定線誤差等)，統(tǒng)計宜昌站實(shí)測流量與整編流量的相對誤差(以下簡稱“流量相對誤差”)與水位漲落率相關(guān)關(guān)系，兩者趨勢基本一致，即水位漲落率大時測驗的流量相對誤差大，水位漲落率小時流量相對誤差也小，見圖6。

圖6 2012年宜昌站水位漲落率、流量相對誤差過程關(guān)系

根據(jù)單次測驗流量相對誤差低水±8%、中高水±5%的控制要求，統(tǒng)計2012～2017年實(shí)測流量與整編流量誤差與水位漲落率間相關(guān)關(guān)系,劃分出關(guān)系點(diǎn)集中區(qū)域，計算落在此區(qū)域內(nèi)的保證率。①在低水位級，流量相對誤差控制在±3%，漲落率控制在±0.2 m/h的保證率為75%；②中水位級，流量相對誤差控制在±3%，漲落率控制在±0.15 m/h的保證率為77%；③高水位級，流量相對誤差控制在±2%，漲落率控制在±0.1 m/h的保證率為73%。圖7為低水位期宜昌流量誤差與水位漲落相關(guān)關(guān)系。在漲落率較小時進(jìn)行流量測驗，可以避免因流量誤差過大，與穩(wěn)定的單一線偏離太遠(yuǎn)。

圖7 低水位期流量誤差、水位漲落率相關(guān)關(guān)系

對照高水漲落率控制在±0.1 m/h、中水漲落率控制在±0.15 m/h、低水位漲落率控制在±0.2 m/h以內(nèi)的分析值，可有效降低流量誤差，獲得具有代表性的流量測點(diǎn)。

3 測驗時機(jī)選擇

葛洲壩蓄放水時間也有一定規(guī)律，研究1 d內(nèi)水位漲落率與時間關(guān)系有利于掌握測驗時機(jī)。多數(shù)情況下，水位從06:00左右起漲，最高值一般出現(xiàn)在19:00～22:00，最低值出現(xiàn)在次日06:00～07:00，波動周期12～14 h，波動范圍在0.5～1.0 m。

考慮到1次測流所需時間約30 min，根據(jù)2016年水位資料，按照30 min計算全年漲落率，并篩選滿足低水漲落率不大于±0.2 m/h、中水漲率不大于±0.15 m/h、高水漲落率不大于±0.1 m/h的時段；然后將符合要求的時段，根據(jù)1d 24 h，分為00:00～01:00、01:00～02:00、02:00～03:00等歸類計算頻率。落在該時段內(nèi)的頻率越高則滿足漲落率要求的可能性越大，在這個時期內(nèi)測流，所測流量與同水位時穩(wěn)定流量越接近。圖8為高、中、低水期符合水位漲落率要求時段概率分布，不同時間段頻率大小不同。07:00～12:00、23:00～次日03:00這兩個時間段內(nèi)頻率明顯較其他時段更低，與葛洲壩蓄放水在時間上的規(guī)律也吻合。水位從06:00左右起漲，07:00～12:00處于漲水較快階段，23:00～次日03:00則是最高值出現(xiàn)后退水較快的時間段。

圖8 高中低水期符合水位漲落率要求時段概率分布

頻率高的時段相對于頻率低的時段更適宜開展流量測驗。假設(shè)以概率低于0.8的時段不適宜測驗流量統(tǒng)計，高、中、低水時期開展測驗統(tǒng)計結(jié)論如下：①低水期不適宜測流時段在07:00～10:00、22:00～01:00；②中水期不適宜測流時段為07:00～12:00、22:00～04:00；③高水期不適宜測流時段為08:00～12:00；其他時間均較為適宜。雖然葛洲壩調(diào)節(jié)呈日調(diào)節(jié)特點(diǎn)，但每日調(diào)節(jié)流量過程各有區(qū)別，以當(dāng)日水位漲落率來控制流時機(jī)為最佳。

結(jié)合上述分析的規(guī)律，對2016年宜昌站4次連續(xù)28 h流量測驗進(jìn)行分析。流量相對誤差與水位漲落率流量相對誤差趨勢一致，流量相對誤差隨水位漲落率增大而增大，隨漲落率減小而減小。采用面積包圍法計算28 h試驗實(shí)測日平均流量，并與常測法計算日平均流量進(jìn)行比較可知，相對誤差在-7.5%～2.6%。使用南方片水文整編程序?qū)λ?8 h連續(xù)測驗資料進(jìn)行整編時，不能通過單一定線檢驗(符號、隨機(jī)不確定度超限)；剔除水位漲落率大時期測驗的流量后，滿足單一定線要求。

4 結(jié) 語

葛洲壩日調(diào)節(jié)(多為電力調(diào)峰)造成宜昌站水位流量關(guān)系線由每日一個小繩套組成。基于測驗成本和安全考慮，完整測驗出每一繩套過程較為困難。流量測驗時機(jī)特別重要，既要保證單次測驗與水位流量關(guān)系線的誤差滿足要求，又要符合天然徑流量值大小，測驗難度較大。

綜上所述，葛洲壩蓄放水引起的宜昌站水位流量變化，日調(diào)節(jié)過程引起水位漲落時間大約為24 h，從起漲到峰值出現(xiàn)大約需要10～14 h，超漲點(diǎn)多為每日凌晨02:00左右。每日07:00～12：00時水位漲落率相對較大，不宜進(jìn)行流量測驗。選擇在水位漲落率較小或水位平緩時期測流，所測流量精度高、代表性好。